基于系統動力學的游戲性虛擬實驗模型構建

[摘要]基于支持思維建模的系統動力學Stella技術，構建了把系統內部的問題空間外顯化的游戲性虛擬實驗系統動力學模型。生成的可視化思維模型模擬了游戲性虛擬實驗系統的多重、非線性復雜的系統行為，清晰地揭示了游戲性元素對虛擬實驗情境、交互和監控三大組成部分以及學習者在實驗過程中心理和行為兩個層面的影響作用，游戲性虛擬實驗系統動力學模型為虛擬實驗未來發展的趨勢進行了預測。

[關鍵詞]游戲性；游戲性元素；系統動力學；虛擬實驗

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009－8097(2012)05－0116-05引言

電腦游戲與網絡游戲的不斷發展并被應用于企業、教育、軍事、科學以及醫學領域。目前的虛擬實驗無論是設計方面還是開發方面，大多數都只是將實驗器材遷移至計算機中來實現，單純地追求實驗的仿真，而不是從學習者的角度考慮其學習效果。建構主義學習理論指出：“清境”、“協作”、“會話”和“意義建構”是學習環境中的四大要素，一個自由而充滿趣味性的虛擬環境對學習者的學習效果有著至關重要的影響，而游戲性虛擬實驗的構建則是實現這一效果的一個有效途徑。游戲性元素的融入對于學習者學習環境的改善以及知識建構、深層次理解都起著促進的作用，并且吸引著學習者愉悅地解決問題。由此可見，游戲性元素的注入需要運用游戲策劃、設計方法和實現的技術的結合來表現一個完整實驗環境的設計，這并不是簡單的添加，構建模型可以把復雜的問題清晰的表達出來，使理論的各組成部分可視化并得到檢驗。利用模型構建的方法不僅幫助學習者理解形成問題的影響因素之間復雜的相互關系，還給指導者提供了評估學生們理解問題的外在表征。系統動力學建模工具Stella軟件具備強大的建模環境和簡便的操作方法，以此技術建模可以清晰的揭示出游戲性與虛擬實驗二者之間的融合，為虛擬實驗設計研究提供一種新的方法。一 相關理論

1 游戲性的內涵

“游戲性”來源于英文“Gameplay”，在中文中，“游戲性”可以被籠統地理解為“游戲的核心性質”；但在英文中，“游戲性”(Gameplay)可以指“游戲的具體操作方法”和“游戲的抽象趣味整體”等雙重含義。游戲性并不等同于“游戲的性質”，游戲具有極為多樣的屬性，游戲性就是當排除畫面、聲音、劇情等因素的刺激所帶給玩家的樂趣。游戲性元素包括沉浸、情節、扮演、競爭、任務、動作、益智、成長、管理、創造、探索以及群聚元素，然而虛擬實驗的宗旨是教學，它不同于游戲的宗旨，因此在引入這些游戲性元素時，必然有所刪減。融入游戲性元素的根本目的在于增強和提高學習者操作、探索和挖掘的樂趣以及研究和練習的樂趣。

在游戲性虛擬實驗中各游戲性元素的概念內涵包括以下八個方面的內容：①沉浸元素，通過物理方式或者想象進入到一個與通常環境不同的場景。②情節元素，按照因果邏輯或意義邏輯組織起來的一系列事件。③扮演元素，有意識地假扮某一特定角色，并從該角色的處境和場合出發，進行思考、表達和活動的方式。④任務元素，某個需要被完成的既定目標。⑤動作元素，實時付出行動的身體運動。⑥成長元素，成長是指由低級或簡單形態向較高級或復雜形態發展，或者在數量、價值或力量上的增長。在角色扮演游戲中多表現為升級和裝備提升。⑦管理元素，管理元素包含兩個層面的意義：第一是促進游戲者的管理性思維的發展，鼓勵游戲者運用策略和部署來游戲；第二是將游戲者處于一種較高的管理位置，讓游戲者體驗擁有權勢和掌控大局的樂趣。⑧群聚元素，“把兩個及其以上的玩家聚集在一起的狀態就是群聚的形式”。

2 游戲性虛擬實驗的特點

在游戲業初見端倪的歐美自上世紀80年代初，最早全面論述游戲動機的學者是Malone，通過對已有游戲的一系列的觀察，對大量玩家訪談，Malone(1980年)總結出三個主要的讓視頻游戲使人更快樂的因素：挑戰、幻想和好奇。在2002年，Garris等人認為：幻想、規則、目的、感官刺激、挑戰、神秘和控制是游戲的六個動機特征組件。Asgari與Kaufman(2004年)在前人研究的基礎上，認為游戲的動機組件是：交互、競爭、控制、幻想、好奇、挑戰與反饋。

游戲既有行為層面的游戲，也有心理層面的游戲。將游戲的內在品質融入虛擬實驗中來，更能提高和豐富學習者的學習興趣和學習效率，有更廣泛的意義。游戲性虛擬實驗設計應著重從學習者的心理層面和行為層面兩個方面考慮：

(1)心理層面包括愉悅性和自由性，解決這一層面的問題，可以考慮將游戲中沉浸元素、情節元素、任務元素加入到虛擬實驗的設計中來，以解決這一層面學習者學習的愉悅性和自由性等問題。

(2)行為層面包括規則性、表演性、體驗性和對話性。在行為層面中，將管理、扮演、動作元素加入游戲性虛擬實驗的設計中，解決學習者行為層面的需求。游戲性虛擬實驗的開發要以學習者為主導，其目的是提高和優化學習者學習的學習興趣和學習效率，促進學生對實驗中的理論知識的深入理解，鍛煉學生主動探索和學習的能力。

總之，游戲性虛擬實驗不是虛擬實驗與游戲的簡單融合，需要虛擬實驗開發與設計人員接納游戲的本質理念與相關元素，掌握虛擬實驗的技術開發工具，發揮自身的實踐智慧，運用游戲策劃和設計的方法與技術表達虛擬實驗設計，然后，讓學習者主動投入到學習活動中，在參與“游戲”的過程中完成學習。二 游戲性虛擬實驗系統動力學的模型結構

美國著名的游戲化學習倡導者MarcPrens認為，游戲有六種基本組成元素：規則、目標、結果與反饋、挑戰、交互、表征或故事性，“游戲化學習”是國內著名信息技術教育專家桑新民教授大力倡導的新一代學習方法。游戲化學習并不是簡單的游戲和學習的疊加，而是充分利用游戲的教育性來幫助學習者輕松愉快地學習，注重培養學習者的主體性和創造性，讓學習者享受學習并真正實現以人為本的教育目的。

系統動力學(簡稱SD---system dynamies)由美國麻省理工學院Jay W．Forrester教授于1956年創立的，主要研究系統行為隨時間變化的動力學特征。該學科在研究復雜系統問題時，借助計算機模擬可以用于定性與定量地研究系統問題。SD在研究復雜系統的行為以及處理高度非線性、高階次、多變量、多重反饋問題方面具有一定優勢。該學科將研究的對象視為具有一定內部結構、受外部條件影響的動態系統，通過模擬對相關變量進行預測，不斷修正模型，從而得到最佳方案。系統動力學強調系統的聯系、發展與運動的觀點，認為系統的行為模式與特性主要植根于其內部的動態結構與反饋機制，基于系統動力學的模型利用數學方程將各個子系統間的影響和反饋定量化，用簡單、直接的方式將因變量與自變量之間的函數關系表達出來。為了模擬游戲性虛擬實驗系統的多重、非線性復雜的系統行為，通過對對象系統的模擬來判斷系統的變動趨勢，以研究和規劃系統的預期行動和相應決策，游戲性虛擬實驗系統動力學模型的設計共有三大部分八個模塊組成，包括情境設計中的方案設計、場景設計、情節設計、進程設計、實驗者角色設計；交互設計中的協作與交流；監控設計中的反饋設計、獎勵與升級：并且各模塊間相互聯系和影響。模型以圖形的形式輸出，以趣味性、注意力、滿意度、信心水平、操作水平、角色成長、角色滿意度、角色體驗、反饋程度、策略改變、行為變化等作為重點建立Stella模型的關系圖．文中構建的游戲性虛擬實驗系統動力學模型，描述了整個系統的行為，呈現了模型的整個結構及變量間的相互作用，如圖1所示。

在系統動力學中每個反饋回路中必須有一個水平變量，并且水平變量只由其初始值和速率決定；模型設定“增加實驗趣味性、提高學習者注意力、提高學習者信心水平、增強角色滿意度及角色體驗”等為速率，設定“反饋程度、行為變化、策略改變”為輔助變量；設定“實驗目的、任務、故事情節、劇情設計、關卡、協作交流、動作幫助、實驗者、同伴、導師、形象特征、心理特征、社會特征、角色需求”等為常量，其大小根據經驗、實際情況等因素而定。通過融入沉浸元素、任務元素、管理元素、群聚元素、動作元素、扮演元素、成長元素、情節元素；在實施方案設計的同時，考慮以捕捉、對話、收集物品等方式以提高虛擬實驗的趣味性，要提高其趣味性首先是場景設計中情境的設計，情節設計包括劇情設計以及故事情節，這些故事情節的設計將引起實驗者注意力的改變；注意力的改變又影響其角色表現；角色成長、操作水平、信心水平、情感共同作用于角色表現；角色表現重新影響情節設計、場景設計、方案設計；以促進設計者通過情境設計、交互設計、監控設計對虛擬實驗的設計進行迭代；虛擬實驗又使學習者心理層面和行為層面再次轉變。根據系統動力學的建模思想，各設計模塊間相互作用、相互影響是整個系統模型得以運行的基礎和驅動力。

模型分析了游戲性元素在虛擬實驗各組成部分對學習者的影響作用，改變虛擬實驗的游戲性水平，使得虛擬實驗發生游戲性轉變，發生轉變的子部分為實驗主題、實驗背景、場景設計、故事情節、角色、關卡、系統幫助、協作交流、獎勵、升級、反饋、評價。模型也可用來檢驗這些因素相互關系之間的一些假設和設想以及單個變量的影響。三 游戲性虛擬實驗各組成部分的實現

1 情境設計

游戲性虛擬實驗強調學習者在特定情境下通過積極參與形成的意義建構。情境創設的科學性和合理性，是保證學習者獲得知識與技能并完成意義構建的前提，其設計可分為實驗主題、實驗背景、場景設計、實驗者角色和實驗目標設計。

(1)實驗主題：建構主義理論認為情境教學的第一個特征就是“學習者中心”，知識和建構的主體就是學習者本身，在問題解決過程中不同學習者進行平等溝通與合作學習。情境教學的第二個特征是“情景中心”，情境與學習者的精神世界融為一體。情景教學的第三個特征是“問題中心”，要求弱化或打破不同學科間的界限，強調學科間的相互聯系和整合a

(2)實驗背景：在情境設計中，首先，實驗情境的創設要注意實驗內容前后的背景關系：描述實驗目的產生的背景有利于控制定義實驗步驟；其次，實驗情境的描述和模擬：生動的表述，為學習者提供真實的實驗背景，在這過程中自然發現各種問題，輕松地進入學習的狀態；最后，實驗情境的具體操作：學習者進行實驗時所需要提供的工具等。在虛擬實驗中，實驗內容一般都會和實際的生活相關聯，實驗中的故事情節可以從實際生活中的某一場所展開，并從情節中找出可以激發學習者學習的動機，把時間、場所與學習動機聯系起來，使實驗者回味很久，也能給整個實驗添加一些意義和內涵。因此在實驗背景的設計中融入任務元素是十分必要的，任務完成過程會通過各種形式來進行，如對話、收集物品、捕捉、送物品等。

(3)場景設計：實驗中的場景設計包括實驗場所和實驗設備兩個組成部分。場所與設備都是客觀實在的物體，因此在設計時要盡量逼真，保證其真實性、科學性，這樣才能使學習者相信實驗過程和實驗結果。真正現實中的實驗場所往往都是空曠的房間和大理石地面；實驗設備通常由黑白灰色調的金屬等材料構成，實驗場景的整體色調比較枯燥，所以在設計場景時，在保證其真實性和科學性的前提下，可以加一點色彩修飾，融入沉浸元素，使學習者自然融入實驗中的人物角色并進行思考和活動，提升學習者學的學習興趣。沉浸是一種特殊的意識狀態，在科學研究、游戲活動中常常出現，沉浸的體驗因人而異，沉浸程度也有所不同。

(4)實驗者角色：游戲性元素中扮演元素是指角色可以個性定義自己想要扮演的角色，以保持游戲者的私人歸屬感，吸引游戲者繼續玩下去，并以該角色的處境和場合出發，開始思考和進行活動，實驗中的角色可分為實驗者、同伴和導師，實驗者角色可以根據實驗者的操作不斷地進行等級的提升。實驗者的行為應遵循教育所倡導的行為規范，以完成實驗任務為目標進行行為活動，其設計分為形象特征、社會特征、心理特征等方面。如何應用角色的成長是有一定難度的，為此以需求為主要線索考慮角色的成長，就需要馬斯洛需求層次理論的指導。馬斯洛認為人類的需要是分層次的，由低到高，分別是生理需求、安全需求、社交需求、尊重需求、自我實現需求。通過各方面需求的考慮，設計出一個完整而豐滿的角色。

(5)情節設計：為了能夠讓實驗者的實驗過程中有置入感以及情感交互，就需要對故事情節進行精心設計。設計過程中考慮融入游戲設計里面的任務元素和情節元素，以增強實驗者角色體驗和實驗的趣味度。在情節設計中，第一，通過新手教學任務的情節設計幫助實驗者熟悉實驗環境和操作。第二，通過情節任務來表現故事的情節并增強角色體驗。第三，通過階段性情節任務幫助實驗者提高操作水平、行為能力。即以講故事的形式提出期望的產生，讓學生聯想在哪些地方可以產生作用，使學生可以合作解決背景問題。

在游戲性虛擬實驗的設計中，馬斯洛的需求層次理論起到了重要的指導作用，其理論分析了玩家對游戲喜愛上癮的主觀需求因素，包括對交流和溝通的需求和對群體歸屬感的需求等。

2 交互設計

在虛擬實驗中要讓實驗過程服從你的操作，你就必須和它交互。那么如何讓學習者能夠輕松地完成實驗，就需要良好的交互設計才能解決。交互設計中包括人機交互和人人交互。具體可分為：①學習者與其環境之間的控制交互。②學習者與教師之間的教學交互。③學習者與學習資源、學習任務之間的信息交互。④學習者之間、教師之間的互動交流。在交互設計方面，包括關卡設計、幫助、協作與交流。

(1)關卡設計：設計恰當、合理的關卡是實驗設計成功的關鍵之一。如果關卡任務難度過高，玩家的學習興趣就會相應的削減，沒有耐心玩下去；如果過于簡單也不能激發學習者的好奇心以及塑造其成就感，因此難易程度要適中。充分考慮玩家的需求，使玩家在體驗真正的樂趣的同時又學習到了新知識。因此考慮在關卡設計中融入扮演元素以增強關卡的耐玩性。成長是指由低級或簡單形態向較高級或復雜形態發展，或者在數量、價值或力量上的增長。在游戲中多表現為升級和裝備提升。游戲中的成長元素是控制關卡難度的一個重要因素。因此將其融入到游戲性虛擬實驗的交互設計中來，正如一切設計活動一樣，關卡設計需要一個流程。設計流程的作用是保證每個關卡按時完成，使其質量具有連貫性并利于協作交流。

(2)協作與交流：游戲應滿足玩家群體之間通過協作學習、溝通交流和競爭來獲取知識和群體歸屬感的心理需求。在游戲性虛擬實驗的設計中設計者將聊天功能添加進來，并融入游戲性元素中群聚元素和管理元素，使得學習者之間、師生之間可以方便地進行情感溝通和學習交流，多個實驗者為達到一個共同的目標進行合作。聊天功能模塊可以通過兩種形式來實現：一是公共交流區，可供多數學習者進行溝通交流，不僅便于教師對學習者進行及時的指導，也便于對整個實驗過程進行監控；二是獨立交流區，有利于學習者進行小組協作學習。然而聊天的內容和方法，例如如何提問和進行回答，對于不同學習者具有不同程度的邏輯思維。

(3)幫助：交互設計中的幫助信息的設計，是用來引導學習者如何獨立完成實驗操作，要讓學習者清晰整個實驗的實驗方法和操作步驟。如酒精燃燒實驗中，如果設計一個小助手的人物角色，當學習者遇到困難或不清楚實驗目標和操作步驟時，可以隨時咨詢這個小助手，起到引導的作用，在其中融入游戲性元素中的動作元素，使得實驗的進行不再枯燥乏味。

3 監控設計

為順利地完成實驗，設計時必須考慮監控設計，以便及時了解學生的實驗情況，提供適當的督促和指導。為了促進有效學習的發生，在實驗和教學的過程中要盡可能減少外部認知負荷，增加關聯認知負荷，并且使總的認知負荷不超出學習者個體能承受的認知負荷。認知負荷是表示處理具體任務時加在學習者認知系統上的負荷的多維結構，這個結構由反映任務與學習者特征之間交互的原因維度和反映心理負荷、心理努力和績效等可測性概念的評估維度所組成。游戲性虛擬實驗中監控設計方面包括以下四個子部分：

(1)反饋：傳統的課堂式實驗課程中反饋基本都是以實驗報告和最后的考試的形式來完成的，對學生的評價相對不夠全面，加入游戲性元素中的管理元素，使學習者在實驗中處于一種較高主動性的狀態中，使其體驗到自我控制和掌控實驗過程的樂趣與滿足感，增強虛擬實驗的趣味性。同時學習者在與游戲環境的交互中，根據反饋信息，知道自己的活動是否有效，是否符合規則，是否離目標更近了。

(2)獎勵：根據馬斯洛的需求層次理論，游戲是符合人的發展及人性本能的需求，通過游戲中的競爭和對抗最終解決游戲活動中的沖突和挑戰，從而獲得成就感，滿足了人的自我實現的需要。在心理學的意義上來看，有一種普遍的心理狀態就是獎勵可以引起每個人的愉悅的感受，任何人都期待得到他人的肯定和贊賞，這也是人們的人格特征之一。因此當學習者完成了一個預期目標或通過關卡時，可根據學習者的年齡和學科背景等元素設計恰當的獎勵機制，使學習者在身心愉悅的狀態中進行有效的學習活動。

(3)升級：角色根據玩家的操作不斷地進行等級的提升，是從低級到高級的不斷提升，這是一種成長。而游戲中的成長元素正是這樣的一個過程，同樣在虛擬實驗里，可以根據實驗者完成的實驗質量，進行升級。

(4)評價：在虛擬實驗的監控過程中，學習過程的監控是與學習結果的評價過程相互交織融合為一體的，監控評價包括學習者的自我評價、學習者與學習者的相互評價、教師的評價以及實驗系統評價。最終給予學習者的評價應以一種“人性化”的方式來組織評價反饋信息，力圖尊重學習者的個性、人格、尊嚴、隱私等，使學習者從學習的緊張氣氛中同樣體驗到樂趣、尊重、信心以及積極情感的升華，從而提高虛擬實驗的效率和效果。例如酒精燃燒實驗中，成功用酒精燈給紙杯里的水加熱至沸騰，內焰接觸到杯底，系統就要給予一個評價，可以是升級或者分數獎勵等；若沒有成功完成此操作，也給出相應的反饋信息，如降級、扣分等。四 結語

通過系統動力學模型的構建，研究了游戲性虛擬實驗中各游戲性元素與虛擬實驗設計中的情境設計、交互設計、監控設計之間的融合。模型雖經過了一些實驗的檢驗但還需要更進一步在實踐的應用過程中進行修正，以便更好地用它來對未來的發展趨勢進行預測，對基于系統動力學游戲性虛擬實驗的研究，為從根本上解決學習者能夠在游戲性狀態下輕松地進行實驗，更好地將游戲性與虛擬實驗相融合的問題提供定性分析，以及定量化決策支持。此模型的最大價值在于揭示以及樹立對游戲性元素與虛擬實驗間相互作用理解，并將可持續的思想貫穿在整個游戲性虛擬實驗系統的資源利用中，而不僅僅是用來預測。